0002964d[1]

41

Колообіг кисня.

В кількісному відношенні головною складовою живої матерії є кисень, колообіг якого ускладнений його здатністю вступати в різні хімічні реакції, головним чином реакції окислення. В результаті виникає безліч локальних циклів, що відбуваються між атмосферою, гідросферою та літосферою, які в свою чергу можуть бути порушені антропогенним фактором. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхевих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має біогенне походження і повинен розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисня при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисня із воднем (віщепленим від субстрату) та утворенням води. В деякому відношенні колообіг кисня нагадує зворотний цикл вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисня та його відшкодування рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисня вимагається біля двох тисяч років. З іншого боку, для того, щоб всі молекули води гідросфери були підвержені фотолизу і знов синтезовані живими організмами, необхідно два мільйони років. Більша частина кисня, що виробляється на протязі геологічних епох, не залишалася в атмосфері, а фіксувалася літосферою у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза, і її маса складає 5,9*1016 т. Маса кисня, що циркулює в біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанських та континентальних водах, в декілька разів менша (0,4*1016 т).

Відзначимо, що, починаючи з певної концентрації, кисень дуже токсичний для клітин і тканин (навіть у аеробних організмів). А живий анаеробний організм не може витримати (це було доведене ще в минулому сторіччі Л. Пастером) концентрацію кисню, що перевищує атмосферну на 1%.

Колообіг азоту.

Газоподібний азот виникає в результаті реакції окислення аміаку, який утворюється при виверженні вулканів та розкладені біологічних відходів: 4 NH3 + 3 O2 → 2 N2 + 6 H2O.

42

Колообіг азоту – один з самих складних, але водночас самих ідеальних циклів. Незважючи на те, що азот складає біля 80% атмосферного повітря, в більшості випадків він не може бути безпосередньо використаний рослинами, так як вони не засвоюють газоподібний азот. Втручання живих істот у колообіг азоту підпорядковане суворій иєрархії: лише певні категорії організмів можуть виявляти вплив на окремі фази цього циклу. Газоподібний азот беззупинно надходить до атмосфери в результаті роботи деяких бактерій, тоді як інші бактерії – фіксатори (разом з синьо-зеленими водоростями) постійно поглинають його, преобразуючи в нітрати. Неорганічним шляхом нітрати утворюються й в атмосфері в результаті електричних розрядів під час гроз. Найбільш активні споживачі азоту – бактерії на кореневій системі рослин сімейства бобових. Кожному виду цих рослин притаманні свої особливі бактерії, що перетворюють азот в нітрати. В процесі біологічного циклу нітрат – іони (NO3-) та іони амонію (NH4+), поглинаємі рослинами з грунтової вологи, перетворюються у білки, нуклеїнові кислоти і так далі. Потім утворяться відходи у вигляді загиблих організмів, що є об'єктами життєдіяльності інших бактерій та грибів, перетворюючих їх на аміак. Так виникає новий цикл колообігу. Існують організми, здатні перетворювати аміак у нітріти, нітрати і в газоподібний азот. Біологічна активність організмів доповнюється промисловими засобами отримання азотомістящих органічних та неорганічних речовин, багато з яких застосовуються в якості добрив для підвищення продуктивності та росту рослин. Антропогенний вплив на кругообіг азоту визначається наступними процесами:

1. Спалювання палива призводить до утворення оксида азоту, а після цього до реакцій:

2NO + O2 → 2NO2 ,

4NO2 + 2H2O.+ O2 → 4HNO3, сприяючи випаданню кислотних дощів;

1. В результаті впливу деяких бактерій на добрива і відходи тваринництва утворюється оксид азоту – один з компонентів, утворюючих парниковий ефект;

1. Видобуток корисних копалин, що містять нітрат – іони і іони аммонія, для виробництво мінеральних добрив;

43

1. При збиранні врожаю з почви виносяться нітрат – іони і іони аммонія;

1. Стоки з полей, ферм та каналізацій збільшують кількість нітрат – іонів і іонів аммонія в водных екосистемах, що присорює рост водоростей і інших рослин; при розкладанні яких розходується кисень, що в кінцевому рахунку призводить до загибелі риб.

Колообіг фосфору.

Фосфор – один з основних компонентів живої речовини і входить у склад нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), клітинних мембран, аденозінтрифосфату (АТФ) и аденозіндифосфату (АДФ), жирів, кісток і зубів. Колообіг фосфора, як і інших біогенних елементів, відбувається по великому и малому циклам.

Запаси фосфору, доступні живим істотам, повністю сконцентровані в літосфері. Основні джерела неорганічного фосфору – виверження вулканів або осадові породи. В земній корі вміст фосфору не перевищує 1%, що лімітуює продуктивність екосистем. З порід земної кори неорганічний фосфор залучається в циркуляцію континентальними водами. Він поглинається рослинами, которі при його участі синтезують різні органічні сполуки і таким чином включаються в трофічні ланцюги. Потім органічні фосфати разом з трупами, відходами та виділеннями живих істот повертаються в землю, де знов підлягають впливу мікроорганізмів і претворюються в мінеральні форми, які використовуються зеленими рослинами.

Векосистему океану фосфор приноситься текучими водами, що сприяє розвитку фітопланктона і живих організмів.

Вназемних системах колгообіг фосфору проходить в оптимальних природніх умовах із мінімумом втрат. В океані справа відбувається інакше. Це пов’язано з постійним осіданням (седиментацією) органіческих речовин. Осівший на невеликій глибині органічний фосфор повертається в колообіг. Фосфати, відкладені на великих морських глибинах не приймають участь в малому циклі. Однак тектонічні рухи сприяють підйому осадових порід на поверхню.

Таким чином, фосфор повільно переміщується з фосфатних родовищ на суші і мілководних океанічних осадів до живих організмів назад .

44

Запаси фосфору на землі малі. Тому вважається, що фосфор

– основний фактор, лімітуючий зростання первинної продукції біосфери. Вважають навіть, що фосфор – головний регулятор всіх інших біогеохімічних циклів, це – найбільш слабка ланка в життєвому ланцюзі, що забезпечує існування людини.

Антропогенний вплив на коловорот фосфору полягає в наступному:

1.Видобуток великих кількостей фосфатних руд для мінеральних добрив та миючих засобів призводить до зменшення кількість фосфору в біотичному колообігу;

2.Стоки з полів, ферм та комунальні відходи призводять до збільшення фосфат – іонів у водосховищах, до різкого зростання водних рослин і порушення рівноваги в водних екосистемах.

Колообіг сірки.

З природних джерел сірка потрапляє до атмосфери у вигляді сірководня, диоксида сірки і часток сульфатних солей. Біля однієї третини сполук сірки і 99% диоксида сірки – антропогенного походження. В атмосфері протікають реакції, що призводять до кислотних опадів:

2SO2 + O2 → 2SO3 , SO3 + H2O → H2SO4 .

Колоообіг води.

Вода, як і повітря – основний компонент, необхідний для життя. В кількісному співвідношенні це найбільш розповсюджена неорганічна складова живої матерії. Насіння рослин, в яких вміст води не перевищує 10%, відноситься до форм уповільненого життя. Таке ж явище (ангідробіоз) спостерігається у деяких видів тварин, які при несприятливих зовнішніх умовах можуть втрачати велику частину води в своїх тканинах. Вода в трьох агрегатних станах присутня в усіх складових біосфери: атмосфері, гідросфері та літосфері. Якщо воду, яка знаходиться в різних гидрогеологічних формах, рівномірно розподілити по відповідним областям земної кулі, то утворяться шари такої товщини: для Світового океану 2700 м, для льодовиків 100 м, для підземних вод 15 м, для поверхневих прісних вод 0.4 м, для атмосферної вологи 0.03 м. Основну роль в циркуляції та біогеохімічному колообігу води відіграє атмосферна волога, незважючи на відносно малу товщину її шару. Атмосферна волога розподілена по Землі нерівномірно, що обумовлює великі розбіжності в кількості

45

опадів в різних районах біосфери. Середній вміст водянї пари в атмосфері змінюється в залежності від географічної широти. Наприклад, на Північному полюсі воно дорівнює 2.5 мм (в стовпі повітря із поперечним перетином 1 см2), на екваторі - 45 мм. Вода, випавша на сушу, після цього витрачається на просочування (або інфільтрацію), випаровування та сток. Просочування особливо важливо для наземних екосистем, бо сприяє постачанню грунтів водою. В процесі інфільтрації вода надходить у водоносні горизонти та підземні річки. Випаровування з поверхні грунту також відіграє важливу роль у водному режимі місцевості, але більш значну кількість води виділяють самі рослини своїм листям. Причому кількість води, що виділяється рослинами, тим більше, чим краще вони нею постачаються. Рослини, що виробляють одну тону рослинної маси, поглинають як мінімум 100 т води. Головну роль в коловороті води на континентах відіграє сумарне випаровування (дерева і грунт). Остання складова колообігу води на суші – стік. Поверхневий стік та ресурси підземних водоносних шарів забезпечують живлення водних потоків. Разом з тим при зменшенні щільності рослинного покрову сток стає основною причиною ерозії грунту. Як вже відмічалося, вода бере участь і в біологічному циклі, являючись джерелом кисня та водню. Однак фотоліз її при фотосинтезі не відіграє суттєвої ролі в процесі колообігу.

Антропогений вплив на навколишнє середовище.

Проблеми народонаселення та ресурсів біосфери тісно пов'язані з реакціями навколишнього природного середовища на антропогенний вплив. Природний екологічно сбалансирований стан середовища зазвичай називають нормальним. Цей стан, при якому окремі групи організмів біосфери взаємодіють один з іншим та з абіотичним середовищем без порушення рівноваги колообігів речовин та потоків енергії в межах певного геологічного періоду, обумовлене нормальним протіканням природних процесів в усій геосфері. Природні процеси можуть мати катастрофічний характер, наприклад виверження вулканів, землетрус, повінь, що, однак, також складає 'норму' природи. Ці та інші природні процеси поступово, із геологічною швидкістю, еволюціонують і в той же час на протязі тысячоріч (протягом одного геологічного періоду) залишаються в сбалансированному

46

стані. При цьому протікають малий (біологічний) та великій (геологічний) колообіги речовин та встановлюються енергетичні баланси між різноманітними геосферами і космосом, що поєднує природу в єдине ціле. Колообіги речовин та енергії в біосфері характеризуються певними кількісними параметрами, які специфичні для даного геологічного періоду і для кожного елементу земної поверхні у відповідності з їхньою географією. Зазвичай в якості основних параметрів, що характеризують стан навколишнього природного середовища, виділяють наступні:

1.Энергетичний: Е = Е0 + ΔЕ,

де Е0 – запас енергії в системі у момент часу t0;

ΔЕ - енергетичний баланс системи за час Δt, тобто в період

від

t = t0 до t = t0 + Δt .

1.Водний: W = W0 + ΔW,

де W0 – запас води в системі у момент часу t0;

ΔW – водний баланс системи за час Δt, тобто в період від t = t0 до t = t0 + Δt .

1. Біологічний: В = В0 + ΔВв - ΔВm, де B0 – початкова біомаса;

ΔВв – біологічна продуктивність;

ΔВm – мінералізація органіки за час Δt .

1. Біогеохимічний: G = G0 + ΔGв - ΔGg, где G0 – запас хімічних елементів в системі;

ΔGв и ΔGg – зміна запасу хімічних елементів внаслідок біологічного та геологічного кругообіга речовин.

Ці параметри стану навколишнього середовища можуть бути кількісно визначені експериментальним шляхом для кожного району, великого регіону, природної зони або ландшафтногеографічного пояса, нарешті, для земної кулі вцілому; вони кількісно характеризують стан та просторову неоднорідність середовища. Геохімічний параметр стану навколишнього середовища також суттєво змінився, особливо у відношенні біологічного і геологічного колообігів. Під впливом людської діяльності відбуваються великі зміни в розподілі хімічних елементів в біосфері, природна та антропогенна трансформація речовин, а також перехід хімічних елементів з одніх сполук до інших. Природний біологічний колообіг речовин порушений

47

людиною на площі, яка досягає майже половини всієї поверхні суши: антропогенні пустелі, індустріальні та міські землі, сади, вторинні низькопродуктивні ліси, виснажені пасовища і т. д. Погіршенню геологічного колообігу речовин сприяли такі фактори:

1.Ерозия почвенного покрову і зростання твердого стоку в

океан;

2.Переміщення величезних мас земної кори;

3.Видобування з надр чималих кількостей руд, пальних та інших копалин;

4.Перерозподіл солі в грунтах, грунтових та річкових водах під впливом зрошувального землеробства;

5.Застосування мінеральних добрив та ядохімікатів;

6.Забруднення середовища сільськогосподарськими, промисловими і комунальними відходами;

7.Потрапляння до природного середовища енергетичних забруднень.

Таким чином, дослідження змін параметрів стану навколишнього природного середовища (хоча і на якісному рівні) дозволяє зробити висновок про відсутність в нинішній час глобальної екологічної кризи. В той же час є всі підстави вважати теперішній стан біосфери порушеним і неномальным. Такий стан може перейти в кризовий, якщо людство не проведе спеціальні заходи по оздоровленню навколишнього середовища. В теперішній час вся територія нашої планети зазнає різних антропогенних впливів. Серйозний характер набули наслідки руйнування біоценозів і забруднення середовища. Вся біосфера знаходиться під все більш зростаючим тиском діяльності людини.

Актуальним завданням в наш час стають природоохоронні заходи, які людство повинно застосовувати як мога частіше.

Лекція 5. Біосфера та ноосфера.

Біосфера. Людина завжди стикалася з оточуючим її світом живої природи, з величезною різноманітністю рослин і тварин, здавна вивчили зовнішню і внутрішню будову живих організмів, дослідили особливості їх анатомії, фізіології, закономірності розвитку, взаємозв’язок з навколишнім середовищем. Було з’ясовано, що організми існують в найрізноманітніших умовах і життя є практично і на поверхні материків, і в товщі океанів та

48

морів, і навіть в атмосфері. Ця цілком очевидна істина привернула увагу українського мінеролога-геохіміка В.І. Вернадського. Базуючись на масштабних дослідженнях і розрахунках, він вперше показав глобальне значення всієї сукупності організмів нашої планети.

Виявилось, що живі організми є могутнім фактором, що перетворює Землю. Товща гірських порід, вод і атмосфери, що змінилися під впливом життя і була названа біосферою. Тепер це слово зустрічається на шпальтах газет, звучить у виступах політичних та суспільних діячів, стає зрозумілим не лише вченим, але й усім людям. Останнім часом все частіше і тривожніше виникає обґрунтована стурбованість долею довкілля, особливого значення набувають проблеми охорони і раціонального використання природних ресурсів. Це вимагає високого рівня наших знань про біосферу.

Життя на нашій планеті виникло мільярди років назад в процесі тривалої еволюції різноманітних фізико-хімічних систем, які включали й органічні речовини. Близько 400 млн. років назад перші живі істоти почали заселяти сушу. Сьогодні ж скрізь поширені різноманітні нащадки перших організмів. Всі сучасні види рослин, тварин і мікроорганізмів тією чи іншою мірою споріднені між собою. Всі вони протягом мільярдів і мільйонів років живилися, розмножувались, відмирали і змінювались під впливом природного добору і завжди впливали на середовище свого існування, корінним чином обновився склад атмосфери, природних вод, осадових порід. Кисень, поклади вугілля, нафти, вапняків, ґрунтовий покрив – прямий результат діяльності живих організмів. Непрямих результатів впливу живого є ще більше і вони не менш важливі (наприклад – озоновий екран атмосфери, що затримує згубне для усіх наземних мешканцівкороткохвильове космічне випромінювання).

Сучасна діяльність людини багато в чому нанесла шкоду довкіллю, тому одне з завдань сучасної екології – це вивчення регуляторних процесів в біосфері, створення наукового раціонального її використання.

Термін «біосфера» з'явився у науковій літературі у 1875 році. Його автором був Едуард Зюсс. Вчений у межах Земної Кулі

49

виділив декілька структурних частин – оболонок, які назвав геосферами. Одна з геосфер отримала назву біосфера.

Струнке вчення про біосферу було розроблене у 1926 році B.I. Вернадським і цим же роком датована його книга «Біосфера». В класичних дослідженнях академіка В.І Вернадського переосмислені, конкретизовані і збагачені новим змістом первинні уявлення про біосферу, ним розроблене цілісне і відносно довершене вчення про біосферу.

У цій праці вчений висловив свою уяву про речовини та, особисто, про геологічну роль живої речовини у перетворенні геохімії і енергетики Землі.

В.І. Вернадський писав: - « Можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние внешней коры нашей планеты – биосферы – полностью находится под влиянием жизни, т.е. определяется живими організмами. Последние превращают енергию солнечного излучения в земную химическую и создают бесконечное разнообразие окружающего мира. Эти живые организмы своим дыханием, своим питаним, своим метаболизмом, своей смертью и своим размножением, постоянным использованием вещества, главное – действующей сотни миллионов лет беспрерывной сменой поколений порождают одно из грандиознейших планетних явлений, которых не существует нигде, кроме биосферы.»

За В.І. Вернадським основними компонентами біосфери є:

-жива речовина – рослини, тварини, мікроорганізми

-біогенна речовина – органічні та органічно-мінеральні продукти, утворні живими речовинами: кам’яне вугілля, нафта, торф та ін.

-косна речовина – гірскі породи неорганічного походження , що є осередком для живих організмів, але в утворенні живої речовини участі не приймають: магматичні гірські породи, мінерали.

-біокосна речовина – результат синтезу живої і неживої речовини: грунт, мул, мінеральні породи органічного походження.

-космічна речовина.

-радіоактивна речовина.

-розсіяні атоми.

50

Існує декілька визначень біосфери. Більшість сучасних екологів (Ю.Одум, В.Д.Федоров, Т.Г.Гільманов, М.Ф.Реймерс, К.М.Ситник) розуміють біосферу як об’єднання усіх живих організмів, що знаходяться у взаємозв’язку з фізичним середовищем Землі. Із цього погляду біосфера є сукупністю екосистем нашої планети.

Біосфера утворилась у результаті виникнення життя (живих організмів) як прямий результат загального розвитку планети Земля. Тривалість існування життя на Землі визначається часом від 1.5-2 до 4-5 млрд. років.

Біосфера Землі являє собою складну термодинамічно відкриту систему, яка включає в себе, згідно визначенню В.І.Вернадського, верхні шари земної кори, всю гідросферу і нижню частину атмосфери – тропосферу з організмами, що їх населяють. Природним чином біосфера розпадається на більш менш самостійні одиниці, які характеризуються великою замкнутістю колообігу речовин.

Пристосовуваність живих організмів вражає. Живі бактерії виявлено в гарячих гейзерних джерелах з температурою води 980С, а також в тріщинах антарктичних льодовиків, де температура рідко коли піднімається вище 0°. Бактерії живуть у глибинних водах Чорного моря, насичених сірководнем, деякі бактерії виявлено навіть в атомних реакторах. Живу спору бактерії було виявлено в одній із трубок американської космічної станції, яка три роки перебувала на поверхні Місяця - вона потрапила туди з Землі й зберегла життєздатність, незважаючи на перебування в умовах космічного вакууму, різких коливань температури й високого рівня радіації.

Межі біосфери. Межі біосфери визначаються наявністю умов, необхідних для життя різних організмів.

Нижня межа біосфери лімітована температурою підземних вод та гірських порід, яка поступово зростає і на глибині 1.5-15 км вже перевищує 100°С. Найбільша глибина, на якій в шарах земної кори знайдені бактерії становить 4 км. У нафтових родовищах на глибині 2-2.5 км бактерії реєструються в значній кількості. У океані - життя розповсюджується до більш значних глибин і зустрічається навіть на дні океанських западин (10-11 км від поверхні), де температура близько 0 °С.